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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine. Der Stator weist ein Blechpaket mit mehreren Nuten auf, wobei in die Nuten jeweils zumindest ein Leitungselement einer elektrischen Wicklung angeordnet ist. An einer Stirnseite des Blechpakets ragen Leitungsenden der Leitungselemente in axialer Richtung aus der Stirnseite heraus. Die Leitungsenden bilden bevorzugt einen Teil des Wickelkopfes des Stators. Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Maschine mit einem Stator.
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Elektrische Maschinen, welche als Motoren oder Generatoren eingesetzt werden, besitzen jeweils einen Rotor und einen Stator, die magnetisch aktiv sind. Dazu sind in dem Stator oder Rotor Leitungselemente einer Wicklung oder Spule eingelegt. Bei den Leitungselementen kann es sich beispielsweise um einen isolierten Draht oder um Wicklungsstäbe in Form von Kupferstangen handeln. Werden als Leitungselemente Kupferstangen verwendet, so können die Leitungselemente in einer sogenannten Stabwicklung angeordnet sein.
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Die Leitungselemente der elektrischen Wicklung, insbesondere die Leitungsenden der Leitungselemente, müssen bei elektrischen Maschinen nach einem bestimmten Schema miteinander verbunden werden. Zum Verbinden der Leitungselemente ist aus dem allgemeinen Stand der Technik der sogenannte „Twistprozess“ bekannt. Bei einem derartigen Prozess werden die aus der Stirnseite des Blechpakets herausgeführten Leitungsenden der Leitungselemente zusammen in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine soweit verdreht oder gebogen, also „getwisted“ , bis die zu verbindenden Leitungselemente aneinander anliegen und miteinander verbunden werden können.
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Die nach dem sogenannten Twistprozess hergestellten Wicklungen haben den Nachteil, dass sie in axialer Richtung viel Bauraum einnehmen, welcher zulasten der aktiven Länge und damit der Leistungsdichte der elektrischen Maschine geht.
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Anstelle die Leitungsenden durch einen aufwändigen Twistprozess herzustellen, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik weiterhin bekannt, Wicklungsenden segmentierter Wicklungen mithilfe sogenannter Verbindungsstäbe zu verbinden. Dazu beschreibt die
US 2013/0020890 A1 einen Stator einer elektrischen Maschine. Der Stator umfasst einen Statorgrundkörper mit einer Mehrzahl von Nuten und segmentierte Wicklungen. Die segmentierten Wicklungen setzen sich aus Wicklungsstäben, welche in die Nuten des Statorgrundkörpers eingelegt sind, und Verbindungsstäben, welche die jeweiligen Enden der Wicklungsstäbe miteinander verbinden, zusammen.
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Der Nachteil dieser Wicklungstechnik besteht darin, dass die Wicklungsenden durch eine komplexe Anordnung der Verbindungsstäbe miteinander verbunden werden müssen. Ferner vergrößert sich durch diese Wicklungstechnik die Baugröße der elektrischen Maschine, da die Verbindungsstäbe zum elektrischen Verbinden radial nach außen geführt sind und somit den Umfang der elektrischen Maschine vergrößern.
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Die
KR 20140083780 A beschreibt einen Stator für eine elektrische Maschine, bei dem in einem Blechpaket mehrere Nuten angeordnet sind, und in den Nuten Leitungselemente in Form von Hairpins ausgebildet sind.
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Die
RU 2275729 C1 beschreibt eine elektrische Maschine mit stufenförmig ausgebildeten Brückenelementen zur Verbindung von Leitungselementen.
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Aus der
US 2013 / 0 200 743 A1 und der
US 2015 / 0 162 793 A1 sind ebenfalls Statoren für elektrische Maschinen bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gefahr von Kurzschlüssen, insbesondere bei Niedervoltanwendungen, zwischen elektrisch leitenden Komponenten des Stators zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stator für eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Durch die Erfindung ist ein Stator für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Der Stator weist ein Blechpaket mit mehreren Nuten auf. In den Nuten ist jeweils zumindest ein Leitungselement einer elektrischen Wicklung angeordnet oder aufgenommen. An einer Stirnseite des Blechpakets ragen Leitungsenden der Leitungselemente in axialer Richtung aus der Stirnseite des Blechpakets heraus. Bei dem zumindest einen Leitungselement kann es sich beispielsweise um einen isolierten Draht oder einen isolierten Stab, beispielsweise um einen Kupferstab oder eine Kupferstange, handeln. Mit „axialer Richtung“ ist hier die Haupterstreckungsrichtung der elektrischen Maschine oder des Stators gemeint, also insbesondere die Richtung in Richtung der Rotationsachse der elektrischen Maschine. Mit Stirnseite des Stators ist beispielsweise die Fläche des Blechpakets gemeint, welche sich an einem Ende des Blechpakets des Stators senkrecht zur axialen Richtung erstreckt. Mit anderen Worten kann eine Seite eines Endblechs des Blechpakets des Stators eine Stirnseite bilden.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine elektrische Verbindung mittels eines Brückenelements zwischen mindestens zwei der Leitungsenden bereitgestellt ist. Bevorzugt bilden die verbundenen Leitungsenden und/oder das Brückenelement Teil des Wickelkopfes. Mit „Brückenelement“ ist insbesondere ein Verbindungselement, welches aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, gemeint und dazu eingerichtet ist, zumindest zwei Leitungsenden der Leitungselemente elektrisch miteinander zu verbinden. Die verbundenen Leitungsenden sind ferner in verschiedenen der mehreren Nuten des Blechpakets angeordnet. Mit „Verbindung“ ist hier gemeint, dass beispielsweise ein Leitungsende eines Leitungselements - einem Leitungsende eines ersten Leitungselements -in einer Nut des Blechpakets in Umfangsrichtung des Stators mit einem Leitungsende eines anderen Leitungselements - einem Leitungsende eines zweiten Leitungselements - in einer weiteren oder anderen Nut des Stators elektrisch verbunden ist. Das Brückenelement kann also dazu eingerichtet sein, eine paarweise Verbindung, insbesondere elektrische Verbindung, zwischen jeweils zwei der Leitungsenden der mehreren Leitungselemente bereitzustellen oder herzustellen.
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Zum elektrischen Verbinden der mindestens zwei Leitungsenden ist das Brückenelement als einstückiges Blechteil ausgebildet. Mit „Blechteil“ ist bevorzugt ein gewalztes Metall gemeint. Bevorzugt ist das Blechteil beziehungsweise das Brückenelement aus Kupfer gebildet. Die Dicke des Blechteils ist dabei bevorzugt schmaler oder dünner als die Breite des Blechteils. Das Blechteil ist insbesondere derart mit den zumindest zwei Leitungsenden verbunden, dass sich dessen Breite in axialer Richtung des Blechpakets erstreckt. Eine schmale Seite des Blechteils ist damit bevorzugt der Stirnseite des Blechpakets zugewandt. Bevorzugt ist die Querschnittsfläche des Brückenelements an eine Querschnittsfläche der jeweiligen Leitungselemente angepasst. Besonders bevorzugt ist die Querschnittsfläche des Brückenelements identisch zu der Querschnittsfläche der Leitungselemente. Mit anderen Worten kann die Querschnittsfläche des Brückenelements mit der Querschnittsfläche des Leitungselements, mit dem das Brückenelement elektrisch verbunden ist, übereinstimmen. Mit „einstückig“ ist hier bevorzugt gemeint, dass das Brückenelement als ein Teil oder ein Stück, also einteilig, ausgebildet ist.
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Ferner weist das Brückenelement eine in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine oder des Stators gewölbte Form auf. Mit „gewölbt“ ist hier gemeint, dass die Form des Brückenelements gebogen oder gekrümmt oder halbrund oder gebogen beziehungsweise bogenförmig ausgebildet ist. Zum Verbinden der Leitungselemente ist das Brückenelement bevorzugt in Umfangsrichtung an die, insbesondere radiale, Form oder den Radius des Blechpakets angepasst. Mit anderen Worten kann das Brückenelement in Umfangsrichtung einen vorbestimmten Wölbungsradius, insbesondere konstanter oder veränderliche Größe, aufweisen.
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Durch das Brückenelement ergibt sich der Vorteil, dass auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise eine elektrische Verbindung zwischen den Leitungsenden der Leitungselemente hergestellt werden kann. Des Weiteren kann durch das Verbindungselement die axiale Länge der Leitungselemente reduziert werden. Dadurch kann Material eingespart und die Baugröße der elektrischen Maschine reduziert werden. Durch die reduzierte Baugröße und die Ausbildung des Verbindungselements als Blechteil reduziert sich zudem das Gewicht der elektrischen Maschine.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Brückenelement ferner stufenförmig ausgebildet ist. Insbesondere weist das Brückenelement im Querschnitt, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung, eine stufenförmige Form oder ein stufenförmiges Profil auf. Mit „stufenförmig“ ist insbesondere eine Zickzack-Form oder getreppte Form gemeint. Bevorzugt weist das Brückenelement mehrere Stufen auf, wobei jede Stufe jeweils zwei Schenkel oder Stufenschenkel aufweist. Bevorzugt ist jeder Stufenschenkel zu einer Referenzebene jeweils in einem vorbestimmten Winkel geneigt zu der Referenzebene angeordnet, wobei sich das stufenförmige Brückenelement zickzackförmig oder in einer Zickzack-Form von der Referenzebene weg bewegt.
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Weiterhin können die Schenkel einer Stufe des stufenförmigen Brückenelements bevorzugt in einem vorbestimmten Winkel zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die jeweiligen Stufen untereinander unterschiedliche Winkel ihrer Schenkel zueinander aufweisen. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die jeweiligen Stufen die gleichen Winkel ihrer Schenkel zueinander aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, bei aneinander angrenzenden Stufenschenkeln jeder Stufe des stufenförmigen Brückenelements jeweils einer der Stufenschenkel bezogen auf die Referenzebene eine geringere Steigung aufweist als der andere Stufenschenkel der beiden aneinandergrenzenden Stufenschenkel, insbesondere bezogen auf die gleiche Referenzebene. Das stufenförmige Brückenelement weist also bevorzugt eine Mehrzahl an oder mehrere Stufenschenkel auf, wobei jeder Stufenschenkel bezogen auf die Referenzebene eine vorbestimmte Steigung aufweist oder in einem vorbestimmten Winkel geneigt zu der Referenzebene angeordnet ist. Mit anderen Worten können die Stufenschenkel mit Bezug zu dem vorhergehenden, angrenzenden Stufenschenkel abwechselnd zu der Referenzebene hin und von der Referenzebene weg geneigt sein. Bevorzugt weisen die Stufenschenkel die gleiche Ausrichtung auf beziehungsweise sind gleich ausgerichtet oder verlaufen in die gleiche Richtung.
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Die Stufenschenkel können dergestalt aneinander angeordnet sein, dass sie sich in einem Aufwärtstrend von der Referenzebene weg bewegen. Mit anderen Worten kann sich durch aneinander angrenzende Stufenschenkel eine Stufenkante bilden, wobei die Stufen derart aneinander angeordnet sind, dass die Stufenkanten der Referenzebene zugewandt sind und der Abstand der Stufenkante zur Referenzebene sukzessive zunimmt.
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Durch die stufenförmige Ausbildung des Brückenelements ergibt sich der Vorteil, dass, wenn mehrere Brückenelemente die jeweiligen Leitungsenden des Stators miteinander verbinden, ein Mindestabstand zwischen den Brückenelementen, trotz minimierten radialen Abmessungen, gewährleistet ist. Dadurch können Kurzschlüsse zwischen den elektrisch leitenden Komponenten des Stators, insbesondere zwischen den Brückenelementen, besonders zuverlässig vermieden werden. Dadurch kann die elektrische Maschine besonders zuverlässig und sicher betrieben werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Stators für eine elektrische Maschine sieht vor, dass das Brückenelement einen ersten Endbereich aufweist, welcher mit einem ersten Leitungsende der zumindest zwei Leitungsenden verbunden ist, wobei der erste Endbereich eine abgewinkelte oder abgeknickte Form aufweist und an einer Seite des Leitungsendes anliegt. Mit anderen Worten kann der erste Endbereich des Brückenelements in einem vorbestimmten Winkel zu dem restlichen oder übrigen Teil des Brückenelements angeordnet sein. Besonders bevorzugt liegt der Endbereich plan an einer Seite des Leitungsendes in einem vorbestimmten Abstand zur Stirnseite des Blechpakets an. Durch eine derartige Ausgestaltung des ersten Endbereichs des Brückenelements kann das Brückenelement mit dem Leitungselement beziehungsweise dem Leitungsende besonders einfach, beispielsweise durch Laserschweißen, verbunden werden.
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In vorteilhafter Weise weist das Brückenelement einen dem ersten Endbereich gegenüberliegenden zweiten Endbereich auf, welcher mit einem weiteren Leitungsende der zumindest zwei Leitungsenden verbunden ist, wobei der zweite Endbereich eine trapezförmige Form aufweist und an einer Seite des weiteren Leitungsendes anliegt. Der zweite Endbereich verläuft bevorzugt gerade zu der Stirnseite hin. Mit „trapezförmiger Form“ ist gemeint, dass das Brückenelement, insbesondere das Blechteil, in diesem Bereich mit einer Trapezform abschließt. Der zweite Endbereich ist bevorzugt als trapezförmiges Prisma ausgebildet. Ferner weist das Brückenelement dem zweiten Endbereich eine Nut auf, welche sich parallel zur Stirnseite des Blechpakets erstreckt. Mit „Nut“ ist hier insbesondere eine Vertiefung oder Rille gemeint. Diese Nut dient dazu, beim Verbinden des Brückenelements mit dem Leitungsende, insbesondere durch Schweißen, Material von dem Brückenelement abzutragen, um eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Leitungsende herzustellen zu können.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in den Nuten jeweils ein innenliegendes Leitungselement und ein außenliegendes Leitungselement nebeneinander oder übereinander angeordnet sind, wobei das Brückenelement das innenliegende Leitungselement, welches einer Nutöffnung der Nut zugewandt ist, mit dem außenliegenden Leitungselement einer anderen Nut elektrisch verbindet. Bevorzugt sind die Leitungselemente Bestandteil einer Zweischichtwicklung. Bei einer Zweischichtwicklung sind in eine Nut jeweils zwei Leitungselemente - innenliegendes Leitungselement und außenliegendes Leitungselement - angeordnet. Das innenliegende Leitungselement ist das Leitungselement, welches zur Nutöffnung der Nut gerichtet ist. Bei einer Zweischichtwicklung ist das innenliegende Leitungselement mit einem in Umfangsrichtung korrespondierenden außenliegenden Leitungselement, welches in einer anderen Nut als das mit dem Brückenelement verbundene innenliegende Leitungselement angeordnet ist, verbunden. Alternativ kann bei einer Zweischichtwicklung, insbesondere in Abhängigkeit der elektrischen Maschine, das außenliegende Leitungselement mit einem in Umfangsrichtung korrespondierenden innenliegenden Leitungselement, welches in einer anderen Nut als das mit dem Brückenelement verbundene außenliegende Leitungselement angeordnet ist, verbunden sein.
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Erfindungsgemäß weist das innenliegende Leitungselement im Vergleich zu dem außenliegenden Leitungselement eine unterschiedliche Länge in axialer Richtung auf, wobei das innenliegende Leitungselement ausgehend von der Stirnseite in Richtung länger ausgebildet ist, als das außenliegende Leitungselement. Mit anderen Worten sind die verbundenen Leitungsenden, welche elektrisch mit dem Verbindungselement verbunden sind, unterschiedlich lang ausgebildet. Ferner ist das Leitungsende des außenliegenden Leitungselements derart gebogen, dass sich das Leitungsende des außenliegenden Leitungselements radial entlang der Stirnseite des Blechpakets erstreckt. Bevorzugt erstreckt sich das Leitungsende des außenliegenden Leitungselements von dem innenliegenden Leitungselement weg. Durch die abgeknickte Form des außenliegenden Leitungselements im Bereich des Leitungsendes kann gewährleistet werden, dass wenn mehrere Brückenelemente die jeweiligen Leitungsenden - Leitungsende des innenliegenden Leitungselements mit korrespondierendem Leitungsende des außenliegenden Leitungselements - miteinander verbinden, ein Mindestabstand zwischen den Brückenelementen gewährleistet ist. Der Mindestabstand zwischen den Brückenelementen kann senkrecht zur axialen Richtung beispielsweise 1 mm betragen. Durch den Mindestabstand können Kurzschlüsse, insbesondere bei Niedervoltanwendungen, zwischen den elektrisch leitenden Komponenten des Stators, insbesondere zwischen den Brückenelementen, besonders zuverlässig vermieden werden. Dadurch kann die elektrische Maschine besonders zuverlässig und sicher betrieben werden.
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Alternativ kann es vorgesehen sein, dass das innenliegende Leitungselement und das außenliegende Leitungselement in axialer Richtung die gleiche Länge aufweisen. Insbesondere sind das erste Leitungselement und das zweite Leitungselement gleich oder identisch ausgebildet. Durch die gleiche Ausbildung der beiden Leitungselemente - innenliegendes Leitungselement und außenliegendes Leitungselement - wird der Aufbau des Stators vereinfacht und damit die Wirtschaftlichkeit der elektrischen Maschine erhöht.
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Des Weiteren können die verbundenen Leitungsenden und das Brückenelement bevorzugt stoffschlüssig verbunden sein. Beispielsweise kann es sich bei der stoffschlüssigen Verbindung um eine Schweißverbindung und/oder um eine Lötverbindung, insbesondere um eine Hartlötverbindung, handeln. Es kann auch vorgesehen sein, dass die verbundenen Leitungsenden und das Brückenelement mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs verbunden sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die verbundenen Leitungsenden mit der Kopplungseinheit auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise miteinander verbunden werden können.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Leitungsenden und/oder das Brückenelement zumindest bereichsweise von einer Vergussmasse umgeben sind. Die Vergussmasse kann beispielsweise aus einem Kunststoff oder Harz oder Silikon gebildet sein. Beispielsweise können die Leitungsenden und/oder das Brückenelement mit der Vergussmasse getränkt, geträufelt, vergossen oder umspritzt sein. Durch die Vergussmasse ist gewährleistet, dass die Leitungsenden und das Verbindungselement elektrisch isoliert sind. Durch die Vergussmasse ist eine kostengünstige Art der elektrischen Isolation der stromführenden Komponenten der elektrischen Maschine möglich. Die Vergussmasse verleiht dem Wickelkopf - den Leitungsenden und dem Brückenelement - zusätzlich Stabilität. Zusätzlich kann durch die Vergussmasse der Wickelkopf thermisch an ein Gehäuse der elektrischen Maschine oder eine Kühlstruktur, wie beispielsweise einen Kühlkanal, angebunden werden. Damit kann über die Vergussmasse Wärme von den Wickelköpfen an das Gehäuse oder die Kühlstruktur abgegeben werden. Durch die Wärmeabfuhr kann ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht werden.
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Zu der Erfindung gehört auch eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Stator.
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In vorteilhafter Weise weist die elektrische Maschine mehrere Brückenelemente auf, wobei eine Anzahl der Brückenelemente, insbesondere an einer Stirnseite des Stators, mit der Anzahl der Nuten des Blechpakets des Stators übereinstimmt. In vorteilhafter Weise weist die elektrische Maschine mehrere Brückenelemente auf, wobei eine Anzahl der Brückenelemente, insbesondere an einer gegenüberliegenden Stirnseite des Stators, größer oder kleiner ist als eine Anzahl der Nuten des Blechpakets des Stators. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die jeweiligen Brückenelemente derart mit den jeweiligen Leitungsenden der Leitungselemente verbunden, dass in radialer Richtung zwischen den Brückenelementen ein Mindestabstand gebildet ist. Der Mindestabstand zwischen den jeweiligen Brückenelementen liegt bevorzugt zwischen 0,5 mm und 3 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 mm und 2 mm.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildet.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und des Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stators beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Stator mit mehreren Leitungselementen und einer Ausführungsform eines Brückenelements in einer Perspektivansicht;
- 2 eine schematische Darstellung der elektrischen Maschine von 1 mit mehreren Brückenelementen in einer Perspektivansicht;
- 3 eine schematische Darstellung des Brückenelements in einer Draufsicht;
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Stator mit mehreren Leitungselementen und einer weiteren Ausführungsform eines Brückenelements in einer Perspektivansicht; und
- 5 eine schematische Darstellung der elektrischen Maschine von 4 mit mehreren Brückenelementen in einer Perspektivansicht.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 und 2 ist eine Ausführungsform eines Stators 1 einer elektrischen Maschine gezeigt. In 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Stators 1 einer elektrischen Maschine gezeigt.
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In 1 ist ein Stator 1 einer elektrischen Maschine in einer Perspektivansicht gezeigt. Der Stator 1 kann beispielsweise Teil einer Lichtmaschine und/oder Antriebsmaschine eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, sein. Der Stator 1 weist ein Blechpaket 2 auf, das in an sich bekannter Weise aus weichmagnetischen Blechschichten gebildet sein kann, die elektrisch gegeneinander isoliert sind und entlang einer axialen Richtung x gestapelt oder geschichtet sind. Mit „axialer Richtung x“ ist eine Haupterstreckungsrichtung, welche insbesondere mit der Rotationsachse der elektrischen Maschine zusammenfällt, gemeint.
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Ferner weist das Blechpaket 2 Nuten 3 auf, in denen Leitungselemente 4 einer elektrischen Wicklung eingelegt sind. Die Leitungselemente 4 sind bevorzugt als isolierte Stäbe, sogenannte Pins, ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich bei den Leitungselementen 4 um isolierte Kupferstäbe. An einer Stirnseite 5 des Blechpakets 2 ragen in axialer Richtung x Leitungsenden 6 der Leitungselemente 4 heraus. Der Übersichtlichkeit halber sind von den dargestellten Nuten 3, Leitungselementen 4 und den Leitungsenden 6 nicht alle mit einem Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt, dass die Leitungselemente 4 Bestandteil einer Zweischichtwicklung sind. Das ist unter anderem daran zu erkennen, dass in einer Nut 3 jeweils zwei Leitungselemente 4 - ein innenliegendes Leitungselement 7 und ein außenliegendes Leitungselement 8 - angeordnet sind. Das innenliegende Leitungselement 7 ist das Leitungselement 4, welches zur Nutöffnung der Nut 3 gerichtet oder gewandt ist.
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Bei dem Stator 1 sind paarweise zwei Leitungsenden 6 mittels eines Brückenelements 9 elektrisch miteinander verbunden. Das Brückenelement 9 weist eine in Umfangsrichtung u des Stators 1 gewölbte Form auf. Auf das Brückenelement wird im Folgenden noch genauer eingegangen. Bei der in 1 gezeigten Zweischichtwicklung ist das innenliegende Leitungselement 7 mit einem in Umfangsrichtung u korrespondierenden außenliegenden Leitungselement 8, welches in einer anderen Nut 3 als das innenliegende Leitungselement 7 angeordnet ist, verbunden.
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Die Leitungselemente 4 sind, wie 1 zu entnehmen ist, gleich ausgebildet. Die Leitungselemente 4 - innenliegenden Leitungselemente 7 und außenliegenden Leitungselemente 8 - sind der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform als Stäbe oder Stangen mit einem rechteckigen Profil oder Querschnitt ausgebildet. Durch die rechteckige, gerade Form werden derartige Leitungselemente auch als I-Pin bezeichnet. Die Leitungsenden 6 der Leitungselemente 4 weisen, insbesondere in axialer Richtung x, die gleiche Länge auf. Insbesondere sind die Leitungselemente 4 gleich lang ausgebildet.
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Das Brückenelement 9, insbesondere ein erster Endbereich 10 des Brückenelements 9, liegt an einer Seite des Leitungsendes 6 eines innenliegenden Leitungselements 7 an. Wie 1 zu entnehmen ist, liegt das Brückenelement 9 an einer der Nutöffnung zugewandten Seite des Leitungsendes 6 des innenliegenden Leitungselements 7 an. Insbesondere liegt das Brückenelement 9 in einem vorbestimmten Abstand zur Stirnseite 5 an dem Leitungsende 6 des innenliegenden Leitungselements 7 an. Ferner liegt das Brückenelement 9, insbesondere ein dem ersten Endbereich 10 gegenüberliegender zweiter Endbereich 11 des Brückenelements 9 an einem in Umfangsrichtung u des Stators 1 benachbarten Nut angeordneten außenliegenden Leitungselement 8 an. Wie 1 zu entnehmen ist, liegt das Brückenelement 9, insbesondere der zweite Endbereich 11 des Brückenelements 9, an einer der Nutöffnung abgewandten Seite des außenliegenden Leitungselements 8 an.
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Der erste Endbereich 10 oder Endabschnitt des Brückenelements 9 bildet eine Verlängerung des innenliegenden Leitungselements 7 in axialer Richtung x des Stators 1. Mit „ersten Endbereich“ ist der Abschnitt an einem ersten Ende des Brückenelements 9 gemeint, welcher sich parallel zu dem Leitungsende 6 in axialer Richtung x erstreckt. Ferner weist der erste Endbereich 10 eine Öffnung, insbesondere Durchgangsbohrung, oder Aussparung oder ein Loch auf. Diese Öffnung dient dazu, beim Verbinden des Brückenelements 9 mit dem Leitungsende 6 durch Schweißen Material von dem Brückenelement abzutragen, um eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Leitungsende 6 herzustellen. Der erste Endbereich 10 des Brückenelements 9 ist dabei im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Dabei stimmt eine Breite des ersten Endbereichs 10 mit der Breite des innenliegenden Leitungselements 7, welche sich senkrecht zur axialen Richtung x erstreckt, überein.
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Der zweite Endbereich oder Endabschnitt des Brückenelements 9 bildet eine Verlängerung des außenliegenden Leitungselements 8 in axialer Richtung x des Stators 1. Mit „zweiten Endbereich“ ist der Abschnitt an einem zweiten Ende des Brückenelements 9 gemeint, welcher sich parallel zu dem Leitungsende 6 in axialer Richtung x erstreckt. Der erste Endbereich 10 und der zweite Endbereich 11 des Brückenelements 9 weisen unterschiedliche Geometrie auf. Der erste Endbereich 11 weist im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgebildet, wobei der zweite Endbereich 11 in einem unteren Bereich, welcher an dem Leitungsende 6 des außenliegenden Leitungselements 8 anliegt, einen trapezförmigen Ansatz aufweist. Die der Stirnseite 5 zugewandte Seite oder Kante verläuft parallel zur Stirnseite 5. Die der Stirnseite 5 gegenüberliegende Seite des trapezförmigen Ansatzes verläuft in einem vorbestimmten Winkel geneigt zur Stirnseite 5 des Blechpakets. Mit anderen Worten kann die der Stirnseite 5 gegenüberliegende Seite des trapezförmigen Ansatzes in einem vorbestimmten Winkel geneigt zur Stirnseite 5 angeordnet sein. Dabei kann Seite mit einem Winkel von 115° geneigt zu der axialen Richtung x oder in einem von 65° senkrecht zur axialen Richtung x verlaufen. Der zweite Endbereich 11 kann als oder nach Art eines Rechtecks mit Eckabschnitt ausgebildet sein. Ferner kann der zweite Endbereich 11, wie auch der erste Endbereich 10, eine Öffnung, insbesondere Durchgangsbohrung, oder Aussparung oder ein Loch aufweisen. Diese Öffnung dient dazu, beim Verbinden des Brückenelements 9 mit dem Leitungsende 6 durch Schweißen Material von dem Brückenelement 9 abzutragen, um eine stoffschlüssige Verbindung mit oder zu dem Leitungsende 6 herzustellen.
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Im Folgenden wird noch auf eine konkrete Ausführungsform des Brückenelements 9 eingegangen. Das Brückenelement 9 kann in die axiale Richtung eine Höhe von 20 mm aufweisen. Dabei weisen der erste Endbereich 10 und der zweite Endbereich 10 eine Höhe von 20 mm auf. Der erste Endbereich 10 weist eine Breite senkrecht zur axialen Richtung von 4,2 mm auf. Der zweite Endbereich 11 weist durch den trapezförmigen Ansatz zwei unterschiedliche Breiten auf. Im Bereich des trapezförmigen Ansatzes weist der zweite Endbereich 11 eine Breite von 8,4 mm auf. Im Bereich des rechteckigen Bereichs, welcher an den trapezförmigen Abschnitt angrenzt, weist der zweite Endbereich 11 eine Breite von 6,9 mm auf. Der trapezförmige Ansatz erstreckt sich in die axiale Richtung x zwischen 6 mm und 7,1 mm. Der rechteckige Bereich, welcher an den trapezförmigen Abschnitt angrenzt, erstreckt sich in die axiale Richtung x mit einer Länge von 13 mm oder 13,1 mm. Durch die gewölbte Form der Brückenelements 9, weist der zweite Endbereich 11 senkrecht zur axialen Richtung x eine Länge von 1,5 mm auf.
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Insgesamt erstreckt sich das Brückenelement 9 senkrecht zur axialen Richtung x mit einer Ausdehnung von insgesamt 64,6 mm. Der Zentralbereich zwischen dem ersten Endbereich 10 und dem zweiten Endbereich 11, weist eine Länge oder Ausdehnung senkrecht zur axialen Richtung x von 52 mm auf. Die Dicke oder Stärke des Brückenelements 9 beträgt bevorzugt 1,5 mm.
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Das Brückenelement 9 ist als Blechteil ausgebildet. Bevorzugt ist das Brückenelement 9 als gestanztes Biegeblechteil ausgebildet. Bei der Herstellung werden derartige Blechteile aus einem Blech gestanzt und in eine vorbestimmte Form gebogen. Das Brückenelement 9 ist, wie 1 und 2 zu entnehmen ist, stufenförmig ausgebildet. Mit „stufenförmig“ ist insbesondere eine im Querschnitt ausgebildete Zickzackform gemeint. Insbesondere weist das Brückenelement 9 im Querschnitt, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung oder axialen Richtung x, eine Stufenform oder ein stufenförmiges Profil auf. Dabei weist das Brückenelement 9 mehrere Stufen 12 auf, wobei jede Stufe 12 zwei Schenkel 13 aufweist. Die Schenkel 13 jeder Stufe 12 des stufenförmigen Brückenelements 9 sind in einem vorbestimmten Winkel zueinander angeordnet. Der erste Endbereich 10 und der zweite Endbereich 11 bilden ebenfalls jeweils einen Schenkel 13 aus. Neben der stufenförmigen Form ist das Brückenelement 9 bogenförmig ausgebildet. Zum Verbinden der Leitungselemente 4 ist das Brückenelement 9 in Umfangsrichtung u an den Radius, insbesondere Außenradius, des Blechpakets 2 angepasst.
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In 2 ist der Stator 1 mit mehreren Brückenelementen 9 gezeigt. Dabei sind alle Leitungselemente 4 paarweise mit einem Brückenelement 9 verbunden. Die Brückenelemente 9 sind dabei derart angeordnet, dass benachbarte Brückenelemente in einem vorbestimmten Abstand in radialer Richtung, senkrecht zur axialen Richtung x, zueinander angeordnet sind. Beispielsweise beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Brückenelementen 9 einen Millimeter. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Brückenelemente parallel in einem vorbestimmten, insbesondere gleichmäßigen Abstand, zueinander angeordnet.
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In 3 ist das stufenförmige Brückenelement 9 in einer Draufsicht gezeigt. Aus 3 geht hervor, wie die einzelnen Stufenschenkel des stufenförmigen, gewölbten Brückenelements 9 zueinander angeordnet oder ausgerichtet sind. Insgesamt weist das in 3 gezeigte Brückenelement 9 dreizehn aneinander angrenzende Stufenschenkel 13 auf. Dabei sind die einzelnen Stufenschenkel 13 bezogen auf eine Referenzebene B ausgerichtet. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Stufenschenkel 13 des stufenförmigen Brückenelements 9 in einem vorbestimmten Winkel geneigt zu der Referenzebene B ausgerichtet oder angeordnet. Mit anderen Worten weisen die jeweiligen Stufenschenkel 13 eine vorbestimmte Steigung zu oder bezogen auf die Referenzebene B auf. Wie in der Winkelabfolge der aneinandergrenzenden Stufenschenkel 13.1 bis 13.13 zu erkennen ist, weist bei aneinander angrenzenden Stufenschenkeln jeder Stufe des stufenförmigen Brückenelements 9 jeweils einer der Stufenschenkel bezogen auf die Referenzebene B eine geringere Steigung auf als der andere Stufenschenkel der beiden aneinandergrenzenden Stufenschenkel. Das stufenförmige Brückenelement 9 weist also bevorzugt eine Mehrzahl an oder mehrere Stufenschenkel auf, wobei jeder Stufenschenkel bezogen auf die Referenzebene B eine vorbestimmte Steigung aufweist oder in einem vorbestimmten Winkel geneigt zu der Referenzebene angeordnet ist.
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Im Folgenden wird mit Bezug auf 3 die Ausrichtung der einzelnen Stufenschenkel 13 mit Bezug auf die Referenzebene B beschrieben. Der erste Stufenschenkel 13.1 ist entlang der Referenzebene B ausgerichtet. Der zweite Stufenschenkel 13.2 grenzt an den ersten Stufenschenkel 13.1 an und ist mit einem Winkel von 31° zu der Referenzebene B ausgerichtet. Der dritte Stufenschenkel 13.3 grenzt an den zweiten Stufenschenkel 13.2 an und ist mit einem Winkel von 15° zu der Referenzebene B oder bezogen auf die Referenzebene B ausgerichtet. Der vierte Stufenschenkel 13.4 grenzt an den dritten Stufenschenkel 13.3 an und ist mit einem Winkel von 35° zu der Referenzebene B ausgerichtet. Der fünfte Stufenschenkel 13.5 grenzt an den vierten Stufenschenkel 13.4 an und ist mit einem Winkel von 23° zu der Referenzebene B ausgerichtet. Der sechste Stufenschenkel 13.6 grenzt an den fünften Stufenschenkel 13.5 an und ist mit einem Winkel von 42° zu der Referenzebene B ausgerichtet. Der siebte Stufenschenkel 13.7 grenzt an den sechsten Stufenschenkel 13.6 an und ist mit einem Winkel von 30° zu der Referenzebene B ausgerichtet. Der achte Stufenschenkel 13.8 grenzt an den siebten Stufenschenkel 13.7 an und ist mit einem Winkel von 50° zu der Referenzebene B ausgerichtet. Der neunte Stufenschenkel 13.9 grenzt an den achten Stufenschenkel 13.8 an und ist mit einem Winkel von 38° zu der Referenzebene B ausgerichtet. Der zehnte Stufenschenkel 13.10 grenzt an den neunten Stufenschenkel 13.9 an und ist mit einem Winkel von 69° zu der Referenzebene B ausgerichtet. Der elfte Stufenschenkel 13.11 grenzt an den zehnten Stufenschenkel 13.10 an und ist mit einem Winkel von 45° zu der Referenzebene B ausgerichtet. Der zwölfte Stufenschenkel 13.12 grenzt an den elften Stufenschenkel 13.11 an und ist mit einem Winkel von 69° zu der Referenzebene B ausgerichtet. Der dreizehnte Stufenschenkel 13.13 grenzt an den zwölften Stufenschenkel 13.12 an und ist mit einem Winkel von 45° zu der Referenzebene B ausgerichtet.
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Neben den Winkelangaben ist auch eine Ausdehnung der jeweiligen Stufenschenkel in Richtung der Referenzebene B sowie eine Höhe der jeweiligen Stufenschenkel in eine Richtung einer weiteren Referenzebene A, welche sich senkrecht zur Referenzebene B erstreckt, angegeben. Die in 3 angegebenen Abmessungen sind in Millimeter angegeben und beziehen sich auf die entsprechenden Referenzebenen A oder B.
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Aufeinanderfolgend weist der erste Stufenschenkel 13.1 in die Referenzebene B eine Ausdehnung von 5,2 mm ausgehend von der Referenzebene A, der zweite Stufenschenkel 13.2 eine Ausdehnung von 5,2 mm ausgehend von dem ersten Stufenschenkel 13.1, der dritte Stufenschenkel 13. 3 eine Ausdehnung von 4,9 mm ausgehend von dem zweiten Stufenschenkel 13.2, der vierte Stufenschenkel 13.4 eine Ausdehnung von 4,9 mm ausgehend von dem dritten Stufenschenkel 13.3, der fünfte Stufenschenkel 13.5 eine Ausdehnung von 4,3 mm ausgehend von dem vierten Stufenschenkel 13.4, der sechste Stufenschenkel 13.6 eine Ausdehnung von 5,1 mm ausgehend von dem fünften Stufenschenkel 13.5, der siebte der Stufenschenkel 13.7 eine Ausdehnung von 3 mm ausgehend von dem sechsten Stufenschenkel 13. 6, der achte Stufenschenkel 13.8 eine Ausdehnung von 4,3 mm ausgehend von den siebten Stufenschenkel 13. 7, der neunte Stufenschenkel 13. 9 eine Ausdehnung von 2,9 mm ausgehend von dem achten Stufenschenkel 13.8, der zehnte Stufenschenkel 13.10 einer Ausdehnung von 2,2 mm ausgehend von dem neunten Stufenschenkel 13.9, der elfte Stufenschenkel 13.11 eine Ausdehnung von 2,1 mm ausgehend von dem zehnten Stufenschenkel 13.10, der zwölfte Stufenschenkel 13.12 eine Ausdehnung von 2,8 mm ausgehend von dem elften Stufenschenkel 13.11 auf.
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Aufeinanderfolgend weist der erste Stufenschenkel 13.1 in die weitere Referenzebene A eine Ausdehnung von 1,5 mm ausgehend von der Referenzebene B, der zweite Stufenschenkel 13.2 eine Ausdehnung von 1,4 mm ausgehend von dem ersten Stufenschenkel 13.1, der dritte Stufenschenkel 13.3 eine Ausdehnung von 2,8 mm ausgehend von dem zweiten Stufenschenkel 13.2, der vierte Stufenschenkel 13.4 eine Ausdehnung von 1, 6 mm ausgehend von dem dritten Stufenschenkel 13.3, der fünfte Stufenschenkel 13.5 eine Ausdehnung von 3,5 mm ausgehend von dem vierten Stufenschenkel 13.4, der sechste Stufenschenkel 13.6 eine Ausdehnung von 2,4 mm ausgehend von dem fünften Stufenschenkel 13.5, der siebte der Stufenschenkel 13.7 eine Ausdehnung von 3,4 mm ausgehend von dem sechsten Stufenschenkel 13. 6, der achte Stufenschenkel 13.8 eine Ausdehnung von 2,9 mm ausgehend von den siebten Stufenschenkel 13.7, der neunte Stufenschenkel 13.9 eine Ausdehnung von 4,1 mm ausgehend von dem achten Stufenschenkel 13.8, der zehnte Stufenschenkel 13.10 einer Ausdehnung von 1,7 mm ausgehend von dem neunten Stufenschenkel 13.9, der elfte Stufenschenkel 13.11 eine Ausdehnung von 4,1 mm ausgehend von dem zehnten Stufenschenkel 13.10, der zwölfte Stufenschenkel 13.12 eine Ausdehnung von 3,4 mm ausgehend von dem elften Stufenschenkel 13.11 auf.
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Mit Bezug auf 1 liegt der dreizehnte Stufenschenkel 13.13 an dem Leitungsende 6 des innenliegenden Leitungselements 7 und der erste Stufenschenkel 13.1 an dem Leitungsende 6 des außenliegenden Leitungselements 8 an. Beim Übergang des dreizehnten Stufenschenkels 13.13 zu dem zwölften Stufenschenkel 13.12 weist das Brückenelement 9 in einem Bereich, welches der Stirnseite 5 des Blechpakets 2 zugewandt ist, einen bogenförmigen Übergang auf. Beim Übergang des zweiten Stufenschenkels 13.2 zu dem ersten Stufenschenkel 13.1 weist das Brückenelement 9 in einem Bereich, welcher der Stirnseite 5 des Blechpakets zugewandt ist, einen bogenförmigen Übergang auf. Dabei sind der dreizehnte Stufenschenkel 13.13 und der erste Stufenschenkel 13.1 in die axiale Richtung x länger ausgebildet, als die dazwischenliegenden Stufenschenkel 13.2 bis 13.12. Der zuvor beschriebene zweite Endbereich 11 entspricht dabei dem ersten Stufenschenkel 13.1 und der erste Endbereich dem dreizehnten Stufenschenkel 13.13.
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In 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform des Stators 1 für eine elektrische Maschine dargestellt. Wie auch bei der ersten Ausführungsform (1 und 2) weisen die innenliegenden Leitungselemente 7 eine rechteckige Form auf. Die innenliegenden Leitungselemente 7 weisen im Querschnitt eine rechteckige Form auf. Die Leitungsenden der außenliegenden Leitungselemente 8 sind gewölbt oder gebogen. Das jeweilige Ende der außenliegenden Leitungselemente 8, also das jeweilige Leitungsende der außenliegenden Leitungselemente 8, ist dabei derart gebogen, dass das Leitungsende sich parallel zur Stirnseite 5 des Blechpakets 2 erstreckt. Im Querschnitt weisen die außenliegenden Leitungselemente 8 eine rechteckige Form auf. Durch die gebogenen Leitungsenden werden derartige Leitungselemente 7 auch als C-Pin bezeichnet. Mit anderen Worten weisen derartige Leitungselemente im Längsschnitt eine C-Form auf.
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Das Brückenelement 9 überbrückt im verbundenen Zustand der zwei Leitungsenden 6 insgesamt sechs Nuten 3 des Blechpakets 2. Das Brückenelement 9 überspringt also vier Nuten. Zwischen den verbundenen Leitungsenden 6 sind in Umfangsrichtung einige der übrigen Leitungsenden 6 dazwischenliegend angeordnet. Der Stator weist, wie 5 zu entnehmen ist, mehrere Brückenelemente 9 auf.
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Das Brückenelement 9 gemäß der Ausführungsform in 4 und 5 ist wie die zu den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform als Blechteil ausgebildet und weist eine in Umfangsrichtung u des Stators 1 gewölbte Form auf. Die gewölbte oder bogenförmige Form des Brückenelements 9 ist an die Umfangskontur des Blechpakets 2 des Stators 1 angepasst.
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Das Brückenelement 9 in 4 und 5 weist ebenfalls einen ersten Endbereich 10 und einen zweiten Endbereich 12 auf. Der erste Endbereich 10 ist mit dem innenliegenden Leitungsende 7 verbunden, wobei der erste Endbereich 10 eine abgewinkelte Form aufweist und an einer Seite des innenliegenden Leitungselements 7 anliegt. Dabei liegt der Endbereich 10 plan an einer Seite des Leitungsendes 6 des innenliegenden Leitungselements 7 in einem vorbestimmten Abstand zur Stirnseite 5 des Blechpakets 2 an.
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Ferner weist das Brückenelement 9 einen dem ersten Endbereich 10 gegenüberliegenden zweiten Endbereich 11 auf, welcher mit dem außenliegenden Leitungsende 8 verbunden ist, wobei der zweite Endbereich 11 eine trapezförmige Form aufweist und an einer Seite des Leitungsendes des außenliegenden Leitungselements 8 anliegt. Mit „trapezförmiger Form“ ist gemeint, dass das Brückenelement 9 in diesem Bereich mit einer Trapezform abschließt. Der zweite Endbereich 11 ist bevorzugt als trapezförmiges Prisma ausgebildet. Ferner weist das Brückenelement dem zweiten Endbereich eine Nut 14 auf, welche sich parallel zur Stirnseite 5 des Blechpakets 2 erstreckt. Mit „Nut“ ist hier insbesondere eine Vertiefung oder Rille gemeint.
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Die Leitungsenden 6 und das Brückenelement 9 werden stoffschlüssig, durch Schweißen, miteinander verbunden sein. Nach dem Verbinden der jeweiligen Leitungsenden 6 mit den Brückenelement 9 werden die Leitungsenden und/oder das Brückenelement zumindest bereichsweise von einer Vergussmasse umgeben.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein bauraumreduzierter Brücken-Wickelkopf bereitgestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Blechpaket
- 3
- Nut
- 4
- Leitungselement
- 5
- Stirnseite
- 6
- Leitungsende
- 7
- innenliegendes Leitungselement
- 8
- außenliegendes Leitungselement
- 9
- Brückenelement
- 10
- erster Endbereich
- 11
- zweiter Endbereich
- 12
- Stufe
- 13
- Schenkel
- 13.1
- erster Stufenschenkel
- 13.2
- zweiter Stufenschenkel
- 13.3
- dritter Stufenschenkel
- 13.4
- vierter Stufenschenkel
- 13.5
- fünfter Stufenschenkel
- 13.6
- sechster Stufenschenkel
- 13.7
- siebter Stufenschenkel
- 13.8
- achter Stufenschenkel
- 13.9
- neunter Stufenschenkel
- 13.10
- zehnter Stufenschenkel
- 13.11
- elfter Stufenschenkel
- 13.12
- zwölfter Stufenschenkel
- 13.13
- dreizehnter Stufenschenkel
- 14
- Nut
- A
- weitere Referenzebene
- B
- Referenzebene
- u
- Umfangsrichtung
- x
- axiale Richtung
